CN101048517B - 高频热处理装置、高频热处理方法及高频热处理产品 - Google Patents

Abstract

为了得到所希望的热处理质量，能够进行利用温度控制的热处理的高频热处理装置，具有调节被处理物体(1)的温度用的温度控制单元；以及决定对被加热的被处理物体(1)进行冷却的时刻用的淬火单元。温度控制单元包含加热单元(2)；温度控制用测温单元(3)；以及温度调节单元(4)。淬火单元包含淬火用测温单元(5)；以及热处理调节单元(6)。

Description

高频热处理装置、高频热处理方法及高频热处理产品

技术领域

本发明涉及高频热处理装置、高频热处理方法及高频热处理产品，更特别涉及利用高频加热来对被处理物体进行加热从而淬火硬化的高频热处理装置、高频热处理方法和利用高频加热来进行加热从而淬火硬化的高频热处理产品。

背景技术

高频热处理装置与一般使用的气氛加热炉相比，其优点是作业环境清洁，能够在短时间内高效处理小批量的产品。一般，在钢的高频淬火中，采用控制输入感应线圈的功率及通过时间等构成的参数，来控制被处理物体的热处理条件的功率控制。然后，以各种热处理条件实施淬火，确认淬火后的被处理物体的质量，从而通过实验决定适当的热处理条件。在这种情况下，存在的问题是，若被处理物体改变，则每次必须重新决定热处理条件，决定热处理条件很费事。引起该问题的原因是，在高频淬火中，很难进行根据温度及时间构成的参数来控制被处理物体的热处理条件的温度控制。

从控制淬火后的被处理物体的质量、特别是控制被处理物体的金属组织的观点来看，在淬火处理中最好采用温度控制。但是，在高频淬火中，测温及温度的高速控制在技术上是比较困难的，现状是没有采用通过温度控制来进行淬火。在高频热处理中难以测温的理由在于，它与利用气氛来加热被处理物体的情况不同，由于被处理物体是直接加热，因此必须对被处理物体直接进行测温。另外，在高频热处理设备中，为了实现均匀加热，多数情况下设置了驱动被处理物体的驱动机构，在布置上难以设置接触式温度计，这也使测温困难。

对此，例如若使用辐射温度计等非接触式温度计，则也可以认为容易测温。但是，以往的辐射温度计存在的问题是，响应速度慢，不适合于金属测温，不适于高频淬火的温度控制。最近，通过辐射温度计的信号输出速度的高速化、以及进行辐射率设定来提高温度计的测温精度，发现高频淬火中有可能使用辐射温度计进行高速温度控制。

另外，即使假设能够利用温度控制进行高频淬火时，在基本上是对被处理物体的一部分进行加热的部分加热的高频加热中，在被处理物体内也产生温度不均匀。因此，有可能淬火后的质量因被处理物体的部位而异，在将高频淬火用于完全淬火时存在问题。特别是在厚度大的被处理物体中，由于温度不均匀增大，因此容易发生该问题。在不能均匀加热被处理物体时，发生的问题是，在加热充分的部分，虽达到所希望的质量，但在加热不充分的部分，没有达到所希望的质量。

为了解决这样的问题，考虑了一种方法，该方法采用足够的加热时间，利用热传导，使被处理物体内的温度均匀。另外，还考虑了一种方法，该方法使用较低频率的高频电源，使磁通进入到被处理物体的内部，进行均匀加热。但是，这些方法中存在的共同问题是，如何决定充分的加热时间。

发明内容

如上所述，在高频淬火中难以利用温度控制进行淬火。特别是在利用温度控制的高频淬火实施完全淬火时，必须考虑为了得到所希望的热处理质量用的热处理方法。因此，本发明的课题在于提出能够进行温度控制、能够得到所希望的热处理质量的高频热处理装置及高频热处理方法。另外，本发明的课题在于提供具有所希望的质量的高频热处理产品。

本发明的高频热处理装置，是利用高频加热来对被处理物体进行加热从而淬火硬化的高频热处理装置。而且，本发明的高频热处理装置，具有调节被处理物体的温度用的温度控制单元；以及决定对被加热的被处理物体进行冷却的时刻用的淬火单元。

在上述高频热处理装置中，最好温度控制单元包含加热单元；温度控制用测温单元；以及温度调节单元。加热单元具有利用高频加热来对被处理物体进行加热的功能。温度控制用测温单元，具有测定被处理物体中利用加热单元进行加热的部位的温度的功能。温度调节单元与温度控制用测温单元连接，具有根据来自温度控制用测温单元的温度信息向加热单元输出温度控制信号的功能。再有，淬火单元包含淬火用测温单元；以及热处理调节单元。淬火用测温单元具有测定被处理物体中从利用加热单元进行加热的部位离开的部位的温度的功能。热处理调节单元与淬火用测温单元连接，具有根据来自淬火用测温单元的温度信息来调节加热时间、并输出冷却开始信号的功能。

本发明的高频热处理方法，是利用高频加热来对被处理物体进行加热从而淬火硬化的高频热处理方法。而且，本发明的高频热处理方法，具有以下工序：调节被处理物体的温度的温度控制工序；以及决定对被加热的被处理物体进行冷却的时刻的淬火控制工序。温度控制工序包含加热工序；温度控制用测温工序；以及温度调节工序。加热工序利用高频加热来对被处理物体进行加热。温度控制用测温工序测定被处理物体中被加热的部位的温度。温度调节工序根据测定的温度信息输出温度控制信号，控制对被处理物体的加热。再有，淬火控制工序具有淬火用测温工序；以及热处理调节工序。淬火用测温工序测定被处理物体中从被加热的部位离开的部位的温度。热处理调节工序根据测定的温度信息来调节加热时间，并输出冷却开始信号。

本发明的高频热处理产品利用上述的高频热处理方法进行热处理。

若使用本发明的高频热处理装置，则能够对任意形状的被处理物体赋予所希望的质量。另外，根据本发明的高频热处理方法，则能够对任意形状的被处理物体赋予所希望的质量。即，根据本发明的高频热处理装置及高频热处理方法，可以提供能够进行温度控制、能够得到所希望的热处理质量的高频热处理装置及高频热处理方法。另外，根据本发明的高频热处理产品，能够提供具有所希望的质量的高频热处理产品。

附图说明

图1所示为实施形态1的高频热处理装置的构成简图。

图2所示为为了满足标准所必需的淬火温度与保持时间的关系的SUJ2材料的TTA(Time Temperature Austinitization，时间、温度、奥氏体化)转变图。

图3为说明根据加热曲线(heat pattern)累计Dep值的方法用的说明图。

图4所示为含有1质量％的碳的钢的升温速度与加热相变点的关系图。

图5所示为决定考虑升温速度时的碳扩散长度的计算开始时间的方法的示意图。

图6所示为d*ep的值和硬度及处理时间的关系图。

图7所示为d*ep的值和硬度及处理时间的关系图。

图8所示为被处理物体的加热曲线图。

图9所示为图8所示的时间t＝0.4秒的两个边界点间的各位置的碳分布(固溶碳浓度的分布)图。

图10所示为图8所示的时间t＝0.8秒的两个边界点间的各位置的碳分布(固溶碳浓度的分布)图。

图11所示为图8所示的时间t＝1.2秒的两个边界点间的各位置的碳分布(固溶碳浓度的分布)图。

图12所示为在用实施形态4的方法进行淬火时的、冷却开始时刻的温度控制侧(图1的温度控制用测温单元3的测温部位1a)及淬火时刻侧(图1的淬火用测温单元5的测温部位1b)的固溶碳浓度分布图。

图13所示为实施例1的高频热处理方法的简图。

标号说明

1被处理物体，2加热单元，3温度控制用测温单元，4温度调节单元，5淬火用测温单元，6热处理调节单元，7淬火液喷射单元，10高频热处理方法，20温度控制工序，22加热工序，23温度控制用测温工序，24温度调节工序，30淬火控制工序，35淬火用测温工序，36热处理调节工序，37冷却工序。

具体实施方式

(实施形态1)

以下，根据附图说明本发明的实施形态1。参照图1，本实施形态1的高频热处理装置，具有调节被处理物体1的温度用的温度控制单元；以及决定冷却被加热的被处理物体1的时刻用的淬火单元。根据本实施形态1，能够将任意形状的被处理物体1进行热处理，制造具有所希望的质量的高频热处理产品。另外，在本实施形态1的高频热处理装置中，能够任意选择加热单元即感应线圈等的形状及电源的频率，能够对任意形状的被处理物体使用。

温度控制单元典型的形态最好如图1所示，包含：利用高频加热来对被处理物体1进行加热的线圈等加热单元2；测定被处理物体1中利用加热单元2进行加热的部位1a的温度的温度计等温度控制用测温单元3；以及与温度控制用测温单元3连接、并根据来自温度控制用测温单元3的温度信息向加热单元2输出温度控制信号的温度调节单元4。

另外，淬火单元的形态最好是，包含：测定被处理物体1中从利用加热单元2进行加热的部位1a离开的部位1b的温度的淬火用测温单元5；以及与淬火用测温单元5连接、并根据来自淬火用测温单元5的温度信息来调节加热时间并对淬火液喷射单元7等输出冷却开始信号的热处理调节单元6。

本装置的特征之一在于，具有测定利用加热单元2进行加热的部位1a的温度的温度控制用测温单元3；以及测定从利用加热单元2进行加热的部位1a离开的部位1b的温度的淬火用测温单元5。为了使高频热处理的温度控制更正确，最好温度控制用测温单元3对磁通进入量最多、温度上升最大的位置进行测温。

另外，由于高频加热是对被处理物体1的表层进行加热的部分加热，因此在被处理物体1内产生温度分布。因而，有可能热处理后的质量随部位而变化，在用于完全淬火时存在问题。特别是厚度大的被处理物体1中，由于温度不均匀增大，因此容易发生该问题。因而，为了在低温部分也充分实施加热，赋予所希望的质量，最好淬火用测温单元5对磁通进入量更少、温度上升小的部位进行测温，即对从温度控制用测温单元3的测温部位离开的部位进行测温。

在本实施形态的高频热处理方法中，若温度控制用测温单元3及淬火用测温单元5的位置满足前述的条件，则感应线圈的形状及电源的频率没有限定。另外，从减小被处理物体1内的温度不均匀的影响、在多个部位中确保质量的观点来看，最好是设置多个决定冷却时刻用的淬火用测温单元5的形态。作为测温单元的温度计的种类，可以是辐射温度计等非接触式温度计，除此以外，如果装置的布置上可能的话，例如也可以是热电偶等接触式温度计。

下面，以SUJ2制6206型(JIS：Japanese Industrial Standard，日本工业标准)轴承的外圈作为被处理物体1的例子来表示，具体说明使用上述高频热处理装置的本实施形态1的高频热处理方法。

这里，SUJ2制的上述外圈的标准设定为，从强度的观点是以180℃进行回火时的回火硬度为HRC58以上(HV653以上)，从尺寸稳定性的观点是剩余奥氏体量为12体积％以下。

首先，参照图2，对于决定能够满足上述标准的淬火温度及保持时间的条件、即温度控制单元在控制被处理物体的加热温度时应该遵照的加热条件进行说明。图2的区域A是不满足上述硬度标准的范围，区域B是不满足剩余奥氏体量的标准的范围。另外，区域C是任何标准都满足的范围。随着淬火温度及保持时间增大，硬度容易满足标准，与此相反，随着淬火温度及保持时间增大，剩余奥氏体量不容易满足标准。

由图2的TTA转变图可知，采用较低温、而且长时间的加热条件，容易控制热处理质量(硬度及剩余奥氏体量)，容易满足热处理质量标准(硬度标准及剩余奥氏体量标准)。例如，在以较高温的1050℃的处理中，为了满足热处理质量标准的保持时间虽需要15秒以上，但若保持17秒以上，则不能满足该标准。与上不同的是，在以950℃的处理中，为了满足热处理质量标准的保持时间为20秒以上，但一直到60秒，都能够满足标准。为了充分利用高频热处理的所谓短时间处理的优点，最好尽可能以高温、短时间进行处理。

温度控制用测温单元3的测温位置的加热曲线，能够根据兼顾到缩短热处理时间与容易进行热处理控制的两方面来决定。若能够根据构成被处理物体的材料的种类，生成为了满足热处理质量的淬火温度与保持时间的关系图(TTA转变图)，则只要根据该转变图来决定条件即可，因此本实施形态1的高频热处理装置不管构成被处理物体的材料的种类如何都可以使用。

若温度控制单元在控制被处理物体的加热温度时应该遵照的加热条件决定了，则如图1所示，将该加热条件输入微型计算机等温度调节单元4。温度调节单元4与温度控制用测温单元3及加热单元2连接，能够根据来自温度控制用测温单元3的温度信息，利用PID(Proportional Integral Differential，比例积分微分)控制，向加热单元2输出温度控制信号，控制温度控制用测温单元3的测温部位1a的温度。这时，同时将淬火用测温单元5的测温数据取入微型计算机等热处理调节单元6，根据该加热曲线，判断加热是否充分，通过决定冷却的时刻，来调节热处理时间。冷却时期的判断，是根据淬火用测温单元5的测温部位1b的加热曲线是否在TTA转变图上处于标准内来进行。另外，也可以用同一微型计算机兼作为温度调节单元4及热处理调节单元6。

是否在TTA转变图上处于标准内，能够根据利用下式计算的Dep值进行判断。

Dep＝(2Dt)^1/2…式(1)

D＝D₀exp(-Q/RT)…式(2)

(式中，D表示扩散常数，t表示保持时间，T表示温度，D₀表示扩散常数的熵项，Q表示激活能。)

本发明的高频热处理装置中的热处理调节单元6，能够根据利用有关式子计算的Dep值，输出冷却开始信号。钢在淬火前的组织成为在若干碳固溶的铁中分布了碳化物的组织。在淬火中，必须使碳化物中的碳熔入铁中。为了使碳均匀地固溶在铁中所必需的时间与碳的扩散距离Dep相对应。因而，在该Dep的值达到某个值D*ep时来进行淬火中的冷却。

淬火用测温单元5的测温部位不一定必须是一个地方。由于通过设置多个测温部位，能够控制多个位置的热处理质量，因此从质量管理的观点来看，最好设置多个淬火用测温单元5的测温部位。

下面，参照图3，说明根据加热曲线累计Dep的值的方法。在决定冷却时刻的测温部位1b(淬火时刻侧)的温度时时刻刻变化时，Dep的值最好如图3所示，按下式累计。

[数学式1]

${\mathrm{Dep}}_1=\sqrt{2D_1\mathrm{\Δt}}\→{\mathrm{Dep}}_2=\sqrt{{2D}_2[{\left(\frac{{\mathrm{Dep}}_1}{\sqrt{{2D}_2}}\right)}^2+\mathrm{\Δt}]}\→{\mathrm{Dep}}_n\sqrt{{2D}_n[{\left(\frac{{\mathrm{Dep}}_{n-1}}{\sqrt{{2D}_n}}\right)}^2+\mathrm{\Δt}}$

若开始被处理物体1的升温，则由于在淬火用测温单元5的测温部位1b中，磁通的进入要少于温度控制用测温单元3的测温部位1a(温度控制侧)，因此，温度上升比温度控制用测温单元3的测温部位1a要慢。通常，若温度超过727℃，则铁开始奥氏体化。但是，在升温速度快时，由于钢的加热相变温度变化，因此为了计算扩散距离所必需的加热相变温度必须随升温速度而变化。

由于升温速度随电源的能力、感应线圈及被处理物体的形状等而异，因此最好根据装置及被处理物体的种类适当改变。由于淬火用测温单元5的测温部位1b的温度超过加热相变温度，因此如上述那样累计扩散距离。若任意时间的Dep超过D*ep，则立即开始冷却。D*ep的值从缩短热处理时间的观点来看，最好在能够维持所希望的热处理质量的范围内，是尽可能小的值。但是，从质量稳定的观点来看，最好为达到一定程度安全的设定值。

本实施形态1的高频热处理方法，具有以下工序：调节被处理物体的温度的温度控制工序；以及决定对被加热的被处理物体进行冷却的时刻的淬火控制工序。温度控制工序包含利用高频加热来对被处理物体进行加热的加热工序；测定被处理物体中进行加热的部位的温度的温度控制用测温工序；以及根据测定的温度信息输出温度控制信号来控制对被测定物体的加热的温度调节工序。淬火控制工序包含测定被处理物体中从进行加热的部位离开的部位的温度的淬火用测温工序；以及根据测定的温度信息来调节加热时间并输出冷却开始信号的热处理调节工序。

根据本实施形态1的高频热处理方法及高频热处理装置，通过测定被处理物体的温度，一边将该测定结果向被处理物体的加热条件及淬火的冷却时刻进行反馈，一边实施利用温度控制的高频淬火，能够适用于任意形状的被处理物体，而且能够制造具有所希望的热处理质量的高频热处理产品。另外，若能够根据构成被处理物体的材料的种类，生成满足热处理质量用淬火温度与保持时间的关系图(TTA转变图)，则只要根据该转变图来决定条件即可，因此本实施形态的高频热处理方法不管材料的种类如何都可以使用。再有，本方法是不管线圈的形状、电源的频率、试验片的形状如何都可以使用的极通用的处理方法。

(实施形态2)

以下，根据附图说明本发明的实施形态2。本实施形态2的高频热处理装置、高频热处理方法及高频热处理产品基本上具有与上述实施形态1的高频热处理装置、高频热处理方法及高频热处理产品相同的构成。但是，在实施形态2中，在利用热处理调节单元实施的热处理调节工序中，开始计算碳的扩散长度Dep的温度即加热相变温度Tc是如以下那样决定的。

即，参照图4，若升温速度变化，则可知加热相变点Tc从727℃变为950℃。这样，预先调查构成被处理物体1的钢的组成中的升温速度与加热相变点Tc的关系，根据被处理物体1在加热时的升温速度，求得加热相变点Tc，再根据该加热相变点Tc，决定碳的扩散长度Dep的计算开始温度。

下面，参照图5，说明决定考虑了升温速度时的碳的扩散长度的计算开始温度的方法。在图5中，表示温度控制侧(图1的温度控制用测温单元3的测温部位1a)的加热曲线和淬火时刻侧(图1的淬火用测温单元5的测温部位1b)的加热曲线和加热相变点Tc。在加热的初期，由于在温度控制侧快速进行加热，因此淬火时刻侧的升温速度也快，加热相变点升高。若温度控制侧的温度接近所希望的温度，则利用温度调节单元4来控制加热，使得升温速度变慢，因此淬火时刻侧的升温速度也变慢，加热相变点Tc逐渐降低下去。为此，若经过一定时间，加热相变点Tc与淬火时刻侧的加热曲线相交。由于该交点表示奥氏体化的开始温度，因此从该交点的温度(即奥氏体化的开始温度)起开始计算碳的扩散长度Dep。

然后，若任意时间的Depn超过D*ep，即立即开始冷却。D*ep的值从缩短热处理时间的观点来看，最好在能够维持所希望的热处理质量的范围内，是尽可能小的值。但是，从质量稳定的观点来看，最好为达到一定程度安全的设定值。

下面，参照图6，说明D*ep的值与硬度及处理时间的关系。另外，图6表示以最高到达温度为900℃、降温速度为0℃/秒、淬火后的回火条件为180℃120分钟的条件时进行的关系。由图6可知，将D*ep设定得越大，则由于必需的扩散距离越长，因此处理时间越增加。另外可知，将D*ep的值设定得越大，则由于处理时间越增加，因此硬度越高。但是，若加热过长，则硬度饱和，在D*ep为约0.02mm时，达到最高硬度。因而，可以说D*ep的值最好为0.02mm以下。

另外，由于升温速度随电源的能力、感应线圈及被处理物体的形状等而能够取的值不同，因此最好根据装置及被处理物体的种类适当改变升温速度。

在本实施形态2中，根据预先求得的升温速度与加热相变点的关系，从升温速度求出加热相变点，再根据该加热相变点，决定碳的扩散长度的计算开始温度。因此，能够适应快速加热时的奥氏体化温度的变化。其结果，根据本实施形态2的高频热处理方法及高频热处理设备，能够更正确地求出碳的扩散长度，由此能够使高频热处理产品的质量稳定。

(实施形态3)

以下，根据附图说明本发明的实施形态3。本实施形态3的高频热处理装置、高频热处理方法及高频热处理产品，基本上具有与上述实施形态1的高频热处理装置、高频热处理方法及高频热处理产品相同的构成。但是，在实施形态3中，在利用热处理调节单元实施的热处理调节工序中，在冷却时期的判断时进行的、淬火用测温单元5的测温部位1b的加热曲线是否在TTA转变图上处于标准内的判断中，采用下述的式(3)及式(2)的计算式。

Dep＝A×2(Dt)^1/2…式(3)

D为扩散常数，t为保持时间(秒)，A为校正系数

D＝D₀exp(-Q/RT)…式(2)

D₀为扩散常数的熵项，Q为激活能，R为气体常数，T为绝对温度(K)

这里，校正系数A的值是以以下的式(4)得到的值。

erf(A)＝1-0.1573C₁/C₂…式(4)

C₁为727℃的碳的固溶度(SUJ2的情况为0.52)

C₂为任意温度的碳的固溶度

式(3)是计算式(4)的C₁的值成为C₂时的碳的扩散长度Dep的计算式。C₂的值为任意温度的碳的固溶度。这些值可以预先通过实验、或热力学平衡计算求得。设淬火的冷却是在式中的Dep的值达到某值(D*ep)时进行的。

下面，参照图3，说明根据加热曲线累计Dep的值的方法。由于决定冷却时刻的测温部位1b(淬火时刻侧)的温度时时刻刻变化，因此Dep的值最好累计为Dep₁→Dep₂→…→Dep_n。若开始被处理物体1的升温，则由于在淬火用测温单元5的测温部位1b中，磁通的进入要少于温度控制用测温单元3的测温部位1a(温度控制侧)，因此，温度上升比温度控制用测温单元3的测温部位1a要慢。通常，若温度超过727℃，则铁开始奥氏体化。但是，在升温速度快时，由于铁的加热相变温度变化，因此为了计算扩散距离所必需的加热相变温度必须随升温速度而变化。

由于淬火时刻侧的温度超过加热相变温度，因此如上述那样累计扩散距离Dep。若任意时间的Dep_n超过D*ep，则立即开始冷却。D*ep的值从缩短热处理时间的观点来看，最好在能够维持所希望的热处理质量的范围内，是尽可能小的值。但是，从质量稳定的观点来看，最好为达到一定程度安全的设定值。

下面，参照图7，说明D*ep的值与硬度及处理时间的关系。另外，图7表示以最高到达温度为900℃、降温速度为0℃/秒、淬火后的回火条件为180℃120分钟的条件进行时的关系。参照图7可知，将D*ep设定得越大，则由于必需的扩散距离越长，因此处理时间越增加。另外可知，将D*ep的值设定得越大，则由于处理时间越增加，因此硬度越高。但是，若加热过长，则硬度饱和，在D*ep为约0.015mm时，达到最高硬度。因而，可以说D*ep的值最好为0.015mm以下。

在本实施形态3中，在求出碳的扩散长度Dep的式子中，通过使用校正系数，从而考虑到任意温度的碳的固溶度C₂，与随着温度变化的碳浓度的变化相对应。因此，即使在淬火时刻侧的温度时时刻刻变化时，也能够更正确地求得碳的扩散长度Dep。其结果，根据本实施形态3的高频热处理方法及高频热处理装置，能够在更适当的时刻开始淬火冷却，从而能够使高频热处理产品的质量稳定。

(实施形态4)

以下，根据附图说明本发明的实施形态4。本实施形态4的高频热处理装置、高频热处理方法及高频热处理产品基本上具有与上述实施形态1的高频热处理装置、高频热处理方法及高频热处理产品相同的构成。但是，在实施形态4中，在利用热处理调节单元实施的热处理调节工序中，在冷却时期的判断时进行的、淬火用测温单元5的测温部位1b的加热曲线是否在TTA转变图上处于标准内的判断中，采用下述的式(5)(Fick的第2定律)及式(2)的计算式。

$\∂C/(\∂t)={D\∂}^{2}C/(\∂x^2)$ …式(5)

D为扩散常数，C为碳浓度(质量％)，t为时间(秒)，x为距离

D＝D₀exp(-Q/RT)…式(2)

D₀为扩散常数的熵项，Q为激活能，R为气体常数，T为绝对温度(K)

若用差分方程式表示式(5)，则成为下式。

C_m，n+1＝rC_m+1，n+(1-2r)C_m，n+rC_m-1，n…式(6)

 r＝D×Δt/(Δx)²…式(7)

利用某边界条件来解式(6)，根据材料中的碳的固溶状态是否满足规定的条件，来决定冷却的时刻。通过将一维的两点(以后，称为「边界点」)的碳浓度作为碳的固溶度，来给出边界条件。这是从钢中的两个碳化物近似求出碳的扩散用的模型。

下面，参照图8～图11，说明构成被处理物体的材料中的碳的固溶状态的计算例。在该碳的固溶状态的计算中，设两个边界点间的距离(碳化物间的距离)为0.012mm，将边界点的C的值(碳浓度(质量％)的值)设为SUJ2的固溶度曲线的值(利用热力学平衡计算软件进行计算)。该固溶度曲线的式子(固溶度的式子)能够通过实验或热力学平衡计算，预先按材料分别求出。

从图8～图11可知，固溶碳浓度的分布随时间经过而逐渐变化下去。在本实施形态4的方法中，根据固溶碳浓度的分布的中间位置(设两个边界点间的距离(碳化物间的距离)为0.012mm时为0.006mm的位置)的碳浓度是否成为规定的碳浓度，来判断冷却开始。另外，根据兼顾硬度与剩余奥氏体量，决定冷却开始时刻用的该中间位置的碳浓度的设定值最好设定为0.6～0.8质量％。另外，两个边界点间的距离(碳化物间距离)最好根据被处理物体在淬火前的组织或材料的不同，适当加以改变。

即，本实施形态4中决定冷却开始例如是如以下那样决定的。首先，利用淬火用测温单元5测定淬火时刻侧的温度(步骤A)，根据该测定的温度，计算边界部分的碳量(步骤B)。将边界部分的碳量的值给予式(6)的边界条件，计算式(6)(步骤C)。通过以上的工序，能够计算图9～图11所示的固溶碳浓度的分布(步骤D)。根据得到的固溶碳浓度的分布，进行确认，看固溶碳浓度的分布的中间位置的碳浓度是否成为规定的碳浓度(例如0.6～0.8质量％)(步骤E)。如果中间位置的碳浓度达到规定的碳浓度，则开始冷却(步骤F)，如果没有达到，则不开始冷却，继续加热，再次返回步骤A。

另外，上述步骤C中的式(6)的具体求解方法如下所述。首先，图9～图11的碳分布的两端的碳浓度是碳化物与基体的界面的碳浓度。因而，从该位置碳以某浓度(碳的固溶限度)向基体供给。为了将该条件给予式(6)，必须将某浓度(碳的固溶限度)代入C_0，n及C_m，n(图9～图11中的0mm及0.012mm的位置)的值。

称为差分法的该计算方法例如图9～图11那样，若将空间的分割取5点(若包括边界点，则为7点)，则能得到5个联立方程式。但未知数为C_0，n、C_1，n、C_2，n、C_3，n、C_4，n、C_5，n、C_6，n等7个。其中，C_0，n及C_6，n由于处于碳化物与基体的界面的位置，因此能够根据固溶度的式子给出碳浓度的值。通过这样，由于联立方程式为5个，未知数为5个，所以能够求出C_1，n、C_2，n、C_3，n、C_4，n、C_5，n的值。

即，为了求解式(6)，若不给出两点的碳浓度的条件，就不够求解，但能根据固溶度的式子给出该两点的碳浓度的条件，从而能够求解式(6)。

上述固溶碳浓度的计算不仅在淬火时刻侧进行，也在温度控制侧进行。这是由于，根据温度控制侧的碳的固溶状态，来推测温度控制侧的剩余奥氏体量。如图12所示可知，整个温度控制侧的固溶碳浓度的值高于淬火时刻侧的固溶碳浓度的值。这是由于，靠近加热单元2的温度控制侧的被处理物体1的温度高于淬火时刻侧。另外，图12的数据是将淬火温度设为950℃一定、将到达淬火温度的升温速度设为300℃/秒、将碳化物间距离设为0.012mm、对于冷却条件将碳浓度在中间位置的值设为0.6质量％时的数据。

上述的固溶碳浓度的计算开始温度在淬火时刻侧及温度控制侧都必须考虑到升温速度来决定。该决定能够与实施形态2中根据图4及图5说明的决定同样实施。

然后，在为了淬火而开始对被处理物体加热之后，若用图8～图11说明的固溶碳浓度的分布的中间位置的碳浓度超过规定的碳浓度(例如0.6～0.8质量％)，则立即开始冷却。

根据本实施形态4的高频热处理方法及高频热处理设备，能够根据被处理物体中的碳化物求出碳的扩散，能够正确推测碳的固溶量。因此，能够在满足该碳的固溶量的条件之后进行淬火冷却。另外，不仅在淬火时刻侧，而且在温度控制侧也进行上述碳的固溶量的推测，通过这样也能够根据碳的固溶量来推测温度控制侧的剩余奥氏体量。其结果，实施形态4的高频热处理产品成为质量稳定的高频热处理产品。

(实施例1)

以下，说明本发明的实施例1。使用图1所示的热处理装置，进行利用高频淬火的完全淬火处理。本装置具有温度控制单元；以及淬火单元，温度控制单元具有：利用高频加热来对被处理物体1进行加热的加热单元2即感应线圈；测定被处理物体1中利用加热单元2进行加热的部位1a的温度的温度控制用测温单元3即辐射温度计；以及与该辐射温度计连接、并根据来自辐射温度计的温度信息向加热单元2输出温度控制信号的温度调节单元4。

淬火单元具有：测定被处理物体1中从利用加热单元2进行加热的部位1a离开的部位1b的温度的淬火用测温单元5即辐射温度计；以及与该辐射温度计连接、并根据来自辐射温度计的温度信息来调节加热时间并输出冷却开始信号的热处理调节单元6。

另外，温度控制用测温单元3的测温部位1a，设在磁通进入量最多、温度上升最大的位置。另外，淬火用测温单元5的测温部位1b由于设在离部位1a最远的部位，因此磁通进入量最少，温度上升小于温度控制用测温单元3的测温部位1a。

下面，参照图13，说明实施例1的高频热处理方法的简要情况。如图13所示，实施例1的高频热处理方法10是利用高频加热来对被处理物体1进行加热而淬火硬化的高频热处理方法10，具有调节被处理物体1的温度的温度控制工序20；以及决定对被加热的被处理物体1进行冷却的时刻的淬火控制工序30。温度控制工序20包含：利用高频加热来对被处理物体1进行加热的加热工序22；测定被处理物体1中被加热的部位的温度、并输出温度信息的温度控制用测温工序23；以及接受根据测定的温度的信息而输出的温度信息、并输出温度控制信号来控制对被处理物体1的加热的温度调节工序24。淬火控制工序30包含：测定被处理物体1中从被加热的部位离开的部位的温度的淬火用测温工序35、接受根据测定的温度的信息而输出的温度信息来调节加热时间、并输出冷却开始信号的热处理调节工序36；以及接受热处理调节工序36中输出的冷却开始信号、将被处理物体1冷却到Ms点以下的温度的冷却工序37。

在本实施例1中，将JIS标准SUJ2制6206型的轴承外圈作为被处理物体。SUJ2制的被处理物体即该外圈的标准值设定为，以180℃回火时的硬度为HRC58以上，剩余奥氏体量为12％以下。为了满足该标准所必需的淬火温度与保持时间的关系示于图2。

为了充分利用所谓能够以短时间进行处理的高频热处理的优点，设淬火温度为950℃。因而，根据图2，为了确保热处理质量的保持时间为20秒以上、60秒以下。将决定的热处理条件输入微型计算机，利用PID控制，来控制温度控制用测温单元3的测温部位1a的温度。这时，同时将淬火用测温单元5的测温数据取入微型计算机，决定冷却被处理物体的时刻，输出冷却开始信号，通过这样进行了淬火。

淬火后，测定了被处理物体的剩余奥氏体量及硬度。表1所示为热处理条件及测定结果。表1的热处理条件中，所谓最高温度，表示利用淬火用测温单元5测定的测温部位1b的最高温度。另外，所谓处理时间，表示到达最高温度后、继续热处理的时间，同时表示该时间中的降温速度。本实施例1中进行了热处理的全部高频热处理产品满足了上述的热处理标准。另外，表1中的硬度差异表示测温部位1a与测温部位1b的硬度差。

[表1]

(实施例2)

以下，说明本发明的实施例2。使用图1所示的高频热处理装置，将SUJ2制6206型外圈作为被处理物体，进行了利用高频淬火的完全淬火处理。设淬火温度为900℃，设达到淬火温度的升温速度为10℃/秒、100℃/秒及500℃/秒。将决定的热处理条件输入微型计算机，利用PID控制，来控制温度控制用测温单元3的测温部位1a的温度。这时，同时将淬火用测温单元5的测温数据取入微型计算机，决定冷却被处理物体的时刻，输出冷却开始信号，通过这样进行了淬火。淬火后，以180℃保持120分钟，通过这样进行了回火。

在利用该高频淬火的完全淬火处理的控制中，使用了式(1)及式(2)的计算式。另外，在决定式(1)的碳的扩散长度Dep的计算开始温度时，如根据图4及图5说明的那样，研究了考虑到升温速度的变化的本实施例的方法、以及将碳的扩散长度Dep的计算开始温度作为727℃而不考虑升温速度的变化的比较例的方法的淬火后的淬火时刻侧的硬度(维氏硬度)。表2所示为其结果。这时的D*ep的值为0.02mm，是能够得到最高硬度(HV760左右)的条件。

[表2]

另外，表2的热处理条件中，所谓最高到达温度，表示利用淬火用测温单元5测定的测温部位1b的最高温度。另外，所谓降温速度，表示到达最高温度之后的热处理继续中的降温速度。在本实施例的方法中，在进行了热处理的全部高频热处理产品中，都满足了热处理标准。

由表2所示的结果可知，考虑到升温速度的本实施例的淬火时刻侧的硬度高于没有考虑到升温速度的比较例。这是由于，在考虑到升温速度时，若没有达到高于727℃的温度，则不开始碳的扩散长度的计算，因此与没有考虑到升温速度的情况相比，均热时间延长。

另外，在考虑到升温速度的本实施例中，即使升温速度变化，淬火时刻侧的硬度也几乎不变。与此相反，在没有考虑到升温速度的比较例中，淬火时刻侧的硬度有一定的差异。这是由于，在没有考虑到升温速度时，不能计算正确的碳的扩散长度。

在这次的实验中，在考虑到升温速度的本实施例与没有考虑到升温速度的比较例的双方之中，作为淬火时刻侧的硬度，虽都能得到足够的值(HRC58以上)，但从碳的扩散长度的正确计算的观点来看，可以说最好考虑升温速度。

(实施例3)

以下，说明本发明的实施例3。使用图1所示的高频热处理装置，将SUJ2制6206型的轴承外圈作为被处理物体，进行了利用高频淬火的完全淬火处理。设淬火温度为900℃、930℃、950℃、980℃、1000℃。将决定的热处理条件输入微型计算机，利用PID控制，来控制温度控制用测温单元3的测温部位1a的温度。这时，同时将淬火用测温单元5的测温数据取入微型计算机，决定冷却被处理物体的时刻，输出冷却开始信号，通过这样进行了淬火。淬火后，以180℃保持120分钟，通过这样进行了回火。

在利用该高频淬火的完全淬火处理中，在判断淬火的冷却时期时，对于使用了式(3)及式(2)的计算式的情况和使用了式(1)及式(2)的计算式的情况，研究了淬火后的硬度(维氏硬度)及剩余奥氏体量。表3所示为其结果。这时的D*ep的值为0.015mm，是能够得到最高硬度(HV760左右)的条件。

[表3]

另外，表3的热处理条件中，所谓最高到达温度，表示利用淬火用测温单元5测定的测温部位1b的最高温度。另外，所谓降温速度，表示到达最高温度之后的热处理继续中的降温速度。另外，所谓硬度差异，表示使最高到达温度从900℃变为1000℃时的测温部位1b的硬度的最大值与最小值之差。再有所谓剩余奥氏体量差异，表示使最高到达温度从900℃变为1000℃时的测温部位1b的剩余奥氏体量的最大值与最小值之差。在无论采用什么方法进行了热处理的高频热处理产品中，全部高频热处理产品都满足了热处理标准。

但是，由表3的结果可知，在使用式(1)及式(2)的计算式的情况下，若热处理条件变化，则淬火时刻侧的质量略有较大变化，但在使用式(3)及式(2)的计算式的情况下，淬火时刻侧的质量的变化量小。由此可知，通过使用式(3)及式(2)的计算式，即使淬火时刻侧的温度时时刻刻变化时，也能够更正确求出碳的扩散长度。

(实施例4)

以下，说明本发明的实施例4。使用图1所示的高频热处理装置，将SUJ2制6206型的轴承外圈作为被处理物体，进行了利用高频淬火的完全淬火处理。设淬火温度为900℃、930℃、950℃、980℃、1000℃。将决定的热处理条件输入微型计算机，利用PID控制，来控制温度控制用测温单元3的测温部位1a的温度。这时，同时将淬火用测温单元5的测温数据取入微型计算机，根据它的加热曲线，判断加热是否充分，决定冷却的时刻，输出冷却开始信号，通过这样进行了淬火。淬火后，以180℃保持120分钟，通过这样进行了回火。

在该淬火处理中，在决定冷却的时刻时，使用了式(5)及式(2)的计算式。另外，在决定式(5)的碳的固溶状态的计算开始温度时，如实施形态2中根据图4及图5说明的那样，考虑到升温速度的变化。

对温度控制侧及淬火时刻侧分别研究了利用该方法得到的高频淬火产品的淬火后的硬度(维氏硬度)及剩余奥氏体量。表4所示为其结果。另外，表4的热处理条件中，所谓最高到达温度，表示利用淬火用测温单元5测定的测温部位1b的最高温度。另外，所谓降温速度，表示到达最高温度之后的热处理继续中的降温速度。

[表4]

根据表4所示的结果，利用这次进行的本实施例的方法的全部热处理条件(温度控制用测温单元3的测温部位1a的条件)中，都满足热处理标准。另外，淬火时刻侧的材料的差异少，质量稳定。

另外，表4中虽未表示，但还进行了低于SUJ2的最佳淬火温度的最高到达温度800℃的实验。在这种情况下，在到达最高到达温度后，即使继续加热5分钟，也不开始淬火。这是由于，两个边界点间的碳浓度没有达到规定的碳浓度。由以上可以确认，根据本实施例的方法，由于若碳的固溶量不达到足够的值，则不开始淬火，因此能够对淬火开始温度进行正确的判断。

应该认为，这次揭示的实施形态及实施例，在所有方面只是举例表示，不是限制性的。本发明的范围不是根据上述的说明表示的范围，而是根据权利要求的范围表示的范围，意味着包含与权利要求范围相等的意义及范围内的全部变更。

工业上的实用性

本发明的高频热处理装置及高频热处理方法，能够特别有效地适用于利用高频加热来对被处理物体进行加热从而淬火硬化的高频热处理装置及高频热处理方法。另外，本发明的高频热处理产品，能够特别有效地适用于利用高频加热来进行加热从而淬火硬化的高频热处理产品。

Claims (9)

1.一种高频热处理方法，利用高频加热来对被处理物体(1)进行加热从而淬火硬化的高频热处理(10)，其特征在于，具有以下工序：

调节所述被处理物体(1)的温度的温度控制工序(20)；以及

决定对被加热的所述被处理物体(1)进行冷却的时刻的淬火控制工序(30)，

所述温度控制工序(20)包含

利用高频加热来对所述被处理物体(1)进行加热的加热工序(22)；

测定所述被处理物体(1)中进行加热的部位(1a)的温度的温度控制用测温工序(23)；以及

根据测定的温度信息，输出温度控制信号来控制对所述被处理物体(1)的加热的温度调节工序(24)，

所述淬火控制工序(30)包含

测定所述被处理物体(1)中从进行加热的部位离开的部位(1b)的温度的淬火用测温工序(35)；以及

根据由在淬火用测温工序(35)所测定的温度信息而得的加热曲线来调节加热时间并输出冷却开始信号的热处理调节工序(36)；

在所述热处理调节工序(36)中，预先调查所述被处理物体(1)的组成中的、所述被处理物体(1)的升温速度与加热相变点的关系，根据所述关系并根据所述被处理物体(1)在加热时的升温速度，求得加热相变点，再根据求得的加热相变点，决定碳的扩散长度的计算开始温度，根据所述计算开始温度，计算所述碳的扩散长度，根据计算的扩散长度，决定对所述被处理物体(1)进行冷却的时刻，输出所述冷却开始信号。

2.一种高频热处理产品(1)，其特征在于，

利用权利要求1所述的高频热处理方法(10)进行热处理。

3.一种高频热处理装置，用于利用权利要求1的高频热处理方法(10)来进行淬火，其特征在于，具有

调节所述被处理物体(1)的温度用的温度控制单元；以及

决定对被加热的所述被处理物体(1)进行冷却的时刻用的淬火单元，

所述温度控制单元包含：

利用高频加热来对所述被处理物体(1)进行加热的加热单元(2)；

测定所述被处理物体(1)中利用所述加热单元(2)进行加热的部位(1a)的温度的温度控制用测温单元(3)；以及

与所述温度控制用测温单元(3)连接、并根据来自所述温度控制用测温单元(3)的温度信息，向加热单元(2)输出温度控制信号的温度调节单元(4)，

所述淬火单元包含：

测定所述被处理物体(1)中从利用所述加热单元(2)进行加热的部位(1a)离开的部位(1b)的温度的淬火用测温单元(5)；以及

与所述淬火用测温单元(5)连接、并根据来自所述淬火用测温单元(5)的温度信息而得的加热曲线，来调节加热时间并输出冷却开始信号的热处理调节单元(6)。

4.一种高频热处理方法(10)，其特征在于，利用高频加热来对被处理物体(1)进行加热从而淬火硬化的高频热处理(10)，其特征在于，具有以下工序：

调节所述被处理物体(1)的温度的温度控制工序(20)；以及

决定对被加热的所述被处理物体(1)进行冷却的时刻的淬火控制工序(30)，

所述温度控制工序(20)包含

利用高频加热来对所述被处理物体(1)进行加热的加热工序(22)；

测定所述被处理物体(1)中进行加热的部位(1a)的温度的温度控制用测温工序(23)；以及

根据测定的温度信息，输出温度控制信号来控制对所述被处理物体(1)的加热的温度调节工序(24)，

所述淬火控制工序(30)包含

测定所述被处理物体(1)中从进行加热的部位离开的部位(1b)的温度的淬火用测温工序(35)；以及

根据由在淬火用测温工序(35)所测定的温度信息而得的加热曲线来调节加热时间并输出冷却开始信号的热处理调节工序(36)；

在所述热处理调节工序(36)中，利用以下的计算式计算碳的扩散长度Dep，

Dep＝A×2(Dt)^1/2

D为扩散常数，t为保持时间，其单位为秒，A为校正系数，

D＝D₀exp(-Q/RT)

D₀为扩散常数的熵项，Q为激活能，R为气体常数，T为绝对温度(K)，

erf(A)＝1-0.1573C₁/C₂

C₁为727℃的碳的固溶度，C₂为任意温度的碳的固溶度，

根据计算的扩散长度，决定对所述被处理物体(1)进行冷却的时刻，输出所述冷却开始信号。

5.一种高频热处理装置，用于利用权利要求4的高频热处理方法(10)来进行淬火，其特征在于，具有

调节所述被处理物体(1)的温度用的温度控制单元；以及

决定对被加热的所述被处理物体(1)进行冷却的时刻用的淬火单元，

所述温度控制单元包含：

利用高频加热来对所述被处理物体(1)进行加热的加热单元(2)；

测定所述被处理物体(2)中利用所述加热单元(2)进行加热的部位(1a)的温度的温度控制用测温单元(3)；以及

与所述温度控制用测温单元(3)连接、并根据来自所述温度控制用测温单元(3)的温度信息，向加热单元(2)输出温度控制信号的温度调节单元(4)，

所述淬火单元包含：

测定所述被处理物体(1)中从利用所述加热单元(2)进行加热的部位(1a)离开的部位(1b)的温度的淬火用测温单元(5)；以及

与所述淬火用测温单元(5)连接、并根据来自所述淬火用测温单元(5)的温度信息而得的加热曲线，来调节加热时间并输出冷却开始信号的热处理调节单元(6)。

6.一种高频热处理产品(1)，其特征在于，

是利用权利要求4所述的高频热处理方法(10)进行热处理的高频热处理产品(1)。

7.一种高频热处理方法(10)，其特征在于，利用高频加热来对被处理物体(1)进行加热从而淬火硬化的高频热处理(10)，其特征在于，具有以下工序：

调节所述被处理物体(1)的温度的温度控制工序(20)；以及

决定对被加热的所述被处理物体(1)进行冷却的时刻的淬火控制工序(30)，

所述温度控制工序(20)包含

利用高频加热来对所述被处理物体(1)进行加热的加热工序(22)；

测定所述被处理物体(1)中进行加热的部位(1a)的温度的温度控制用测温工序(23)；以及

根据测定的温度信息，输出温度控制信号来控制对所述被处理物体(1)的加热的温度调节工序(24)，

所述淬火控制工序(30)包含

测定所述被处理物体(1)中从进行加热的部位离开的部位(1b)的温度的淬火用测温工序(35)；以及

根据由在淬火用测温工序(35)所测定的温度信息而得的加热曲线来调节加热时间并输出冷却开始信号的热处理调节工序(36)；

在所述热处理调节工序(36)中，利用以下的计算式计算碳的固溶状态，

$\∂C/(\∂t)={D\∂}^{2}C/(\∂x^2)$

D为扩散常数，C为碳浓度，其单位为质量％，t为时间，其单位为秒，x为距离，

D＝D₀exp(-Q/RT)

D₀为扩散常数的熵项，Q为激活能，R为气体常数，T为绝对温度(K)

根据计算的固溶状态，决定对所述被处理物体(1)进行冷却的时刻，输出所述冷却开始信号。

8.一种高频热处理装置，用于利用权利要求7的高频热处理方法(10)来进行淬火用，其特征在于，具有

调节所述被处理物体(1)的温度用的温度控制单元；以及

决定对被加热的所述被处理物体(1)进行冷却的时刻用的淬火单元，

所述温度控制单元包含：

利用高频加热来对所述被处理物体(1)进行加热的加热单元(2)；

测定所述被处理物体(1)中利用所述加热单元(2)进行加热的部位的温度的温度控制用测温单元(3)；以及

与所述温度控制用测温单元(3)连接、并根据来自所述温度控制用测温单元(3)的温度信息，向加热单元输出温度控制信号的温度调节单元(4)，

所述淬火单元包含：

测定所述被处理物体(1)中从利用所述加热单元(2)进行加热的部位(1a)离开的部位(1b)的温度的淬火用测温单元(5)；以及

与所述淬火用测温单元(5)连接、并根据来自所述淬火用测温单元(5)的温度信息而得的加热曲线，来调节加热时间并输出冷却开始信号的热处理调节单元(6)。

9.一种高频热处理产品(1)，其特征在于，

是利用权利要求7所述的高频热处理方法(10)进行热处理的高频热处理产品(1)。

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